《大气边界层》课件

Chapter9TheAtmosphericBoundaryLayer

大气边界层《大气边界层》课件共76页，您现在浏览的是第1页!

定义：Theportionoftheatmospheremostaffectedbythatboundaryiscalled

theatmosphericboundarylayer(ABL)《大气边界层》课件共76页，您现在浏览的是第2页!边界层厚度：一般1~2km，随时间空间变化，从几百米~4km。边界层上方为自由大气（freeatmosphere）湍流是边界层最重要的特征。《大气边界层》课件共76页，您现在浏览的是第3页!《大气边界层》课件共76页，您现在浏览的是第4页!湍流的产生机械湍流（mechanicalTurbulence）热力湍流（thermalTurbulence）或对流湍流（convectiveturbulence）惯性湍流（inertialTurbulence）《大气边界层》课件共76页，您现在浏览的是第5页!《大气边界层》课件共76页，您现在浏览的是第6页!热力湍流（thermalTurbulence）Thermalorconvectiveturbulence,alsoknownasfreeconvection,consistsofplumesorthermalsofwarmairthatrisesandcoldairthatsinksduetobuoyancyforces.Neartheground,therisingairisoftenintheformofintersectingcurtainsorsheetsofupdrafts,theintersectionsofwhichwecanidentifyasplumeswithdiametersabout100m.Higherintheboundarylayer,manysuchplumesandupdraftcurtainsmergetoformlargerdiameter(∼1km)thermals.Foraircontainingsufficientmoisture,thetopsofthesethermalscontaincumulusclouds

《大气边界层》课件共76页，您现在浏览的是第7页!惯性湍流（inertialTurbulence）

由大湍涡产生，湍流串级(turbulentcascade)Smalleddiescanalsobegeneratedalongtheedgesoflargereddies,aprocesscalledtheturbulentcascade,wheresomeoftheinertialenergyofthelargereddiesislosttothesmallereddies《大气边界层》课件共76页，您现在浏览的是第8页!湍流能量(湍能）

（Turbulencekineticenergy）(TKE)湍能是不保守的。由于分子粘性（molecularviscosity）大湍涡耗散成惯性湍流流（毫米尺度）。《大气边界层》课件共76页，您现在浏览的是第9页!《大气边界层》课件共76页，您现在浏览的是第10页!协方差《大气边界层》课件共76页，您现在浏览的是第11页!《大气边界层》课件共76页，您现在浏览的是第12页!9.1.4Turbulenttransportandfluxes

湍流输送和通量热通量（heatflux）《大气边界层》课件共76页，您现在浏览的是第13页!《大气边界层》课件共76页，您现在浏览的是第14页!边界层大气方程组中出现湍流应力、热通量等新的和湍流有关的变量，方程变得不闭合如为求解热通量，列出关于热量的方程出现三阶量列出三阶量方程，则出现四阶量，建立二阶量和平均量之间的关系，称为一阶闭合（first-orderclosure），梯度输送理论（gradient-transfertheory），K理论（K-theory），K闭合，混合长理论（mixing-lengththeory）建立二阶量方程，同时建立三阶量和二阶均量之间的关系，称为二阶闭合（Second-orderclosure），建立三阶量方程，同时建立四阶量和三阶均量之间的关系，称为三阶闭合《大气边界层》课件共76页，您现在浏览的是第15页!9.1.6TurbulenceScalesandSimilarityTheory

湍流尺度和相似理论《大气边界层》课件共76页，您现在浏览的是第16页!《大气边界层》课件共76页，您现在浏览的是第17页!9.2ThesurfaceEnergyBalance

表面能量平衡9.2.1Radiativefluxes（辐射通量）netradiationfluxF∗（净辐射通量）《大气边界层》课件共76页，您现在浏览的是第18页!《大气边界层》课件共76页，您现在浏览的是第19页!《大气边界层》课件共76页，您现在浏览的是第20页!B：波恩比（Bowenratio)，感热和潜热之比。B经常根据试验获得theBowenratiorangesfromabout0.1overtropicaloceans,through0.2overirrigatedcrops,0.5overgrassland,5.0oversemi-aridregions,and10overdeserts.潜热通量《大气边界层》课件共76页，您现在浏览的是第21页!《大气边界层》课件共76页，您现在浏览的是第22页!9.2.4TheGlobalSurfaceEnergyBalance《大气边界层》课件共76页，您现在浏览的是第23页!9.3VerticalStructure垂直结构9.3.1Temperature绿色虚线：标准大气，黑色实线：实际大气《大气边界层》课件共76页，您现在浏览的是第24页!9.3.3Windstheshapeofthewindprofileinthesurfacelayerzo：动力学粗糙度（aerodynamicroughnesslength）k=0.4：卡门常数（thevonKarmanconstant）此公式在表面层（近地层）中近中性稳定度条件下适用，非中性条件下对上式有修正公式《大气边界层》课件共76页，您现在浏览的是第25页!《大气边界层》课件共76页，您现在浏览的是第26页!9.4.4TheMarineBoundaryLayer《大气边界层》课件共76页，您现在浏览的是第27页!9.4.4TheMarineBoundaryLayer《大气边界层》课件共76页，您现在浏览的是第28页!9.4.5StormyWeather《大气边界层》课件共76页，您现在浏览的是第29页!9.4.5StormyWeather《大气边界层》课件共76页，您现在浏览的是第30页!《大气边界层》课件共76页，您现在浏览的是第31页!

在沿海地区低层大气中，白天风常从海上吹向陆地(即海风)，夜间风从陆地吹向海洋(为陆风)，这就是海陆风

9.5.2海陆风sea-landbreeze

白天晚上低层白天吹海风低层夜间吹海风《大气边界层》课件共76页，您现在浏览的是第32页!《大气边界层》课件共76页，您现在浏览的是第33页!9.5.4.Urbaneffects城市效应城市下垫面是一个人造的下垫面，其特点是人为的建筑面积占绝对优势，居民的生产、生活活动排放出大量废气和热量，在这些因素影响下，城市出现了与牧区显然不同的局地气候，称为城市气候。“城市热岛”、“城市干岛”、“城市雨岛”、“城市浑浊岛”。一般来说，城市愈大，人口密度越大，城市气候特征愈明显。

《大气边界层》课件共76页，您现在浏览的是第34页!城市热岛《大气边界层》课件共76页，您现在浏览的是第35页!《大气边界层》课件共76页，您现在浏览的是第36页!由于城市上空存在大量凝结核，加上热岛效应以及城市粗糙表面的阻碍作用，气流作上升运动。因此，城市上空的云量和降水均比效区多。城市雨岛《大气边界层》课件共76页，您现在浏览的是第37页!

北京城近郊区多年平均08时水平能见度（KM）分布图《大气边界层》课件共76页，您现在浏览的是第38页!9.6Advection,numericalprediction,andchallenges《大气边界层》课件共76页，您现在浏览的是第39页!9.1Turbulence（湍流）大气运动的多尺度Planetaryscale（行星尺度）synopticscale（天气尺度）Mesoscale（中尺度）Microscales（微尺度）turbulencescales（湍流尺度）：“湍流是这样一种不规则运动，其流场的各种特性是时间和空间的随机变量，因此其统计平均值是有规律性的。”《大气边界层》课件共76页，您现在浏览的是第40页!9.1.1Eddiesandthermals当流体含有多种尺度的不规则涡流，称之为湍流。这种涡流称为湍涡（eddies）当流体运动很平稳是，每一个湍涡的尺度迅速变小并逐渐消失（湍涡破碎），大湍涡的能量最终耗散为热能。湍流的主要特征是湍流运动时流体的主要的物理属性如速度、温度、压力等随时间和空间以随机的方式发生变化。《大气边界层》课件共76页，您现在浏览的是第41页!机械湍流（mechanicalTurbulence）由风切变产生风切变产生的原因：地面摩擦力，地形建筑等障碍物的阻挡等。《大气边界层》课件共76页，您现在浏览的是第42页!《大气边界层》课件共76页，您现在浏览的是第43页!《大气边界层》课件共76页，您现在浏览的是第44页!湍流的能谱（energyspectrum）

《大气边界层》课件共76页，您现在浏览的是第45页!9.1.2Statisticaldescriptionofturbulence

湍流的统计描述不同高度处温度的时间序列《大气边界层》课件共76页，您现在浏览的是第46页!瞬时值（instantaneousvaluev)扰动值平均值方差variance速度方差基本不随时间变化，湍流是平稳的。速度方差在空间上是均匀的，即湍流是各向同性的（isotropic）。《大气边界层》课件共76页，您现在浏览的是第47页!9.1.3Turbulencekineticenergyandturbulenceintensity

湍能和湍流强度Turbulencekineticenergy，湍能，（TKE）kineticenergy《大气边界层》课件共76页，您现在浏览的是第48页!Richardsonnumber,Ri（理查逊数）LaminarflowbeesturbulentwhenRidropsbelowthecriticalvalueRic=0.25.FlowsforwhichRic<0.25aresaidtobedynamicallyunstable.Turbulentflowoftenstaysturbulent,evenforRichardsonnumbersaslargeas1.0,butbeeslaminaratlargervaluesofRi.Thepresenceorabsenceofturbulencefor0.25<Ri<1.0dependsonthehistoryoftheflow:aehaviorisanalogoustohysteresis.《大气边界层》课件共76页，您现在浏览的是第49页!热通量大于零，热量向上输送。热通量小于零，热量向下输送。《大气边界层》课件共76页，您现在浏览的是第50页!9.1.5Turbulenceclosure

湍流闭合建立关于平均量的大气运动和热力学方程组，称为雷诺平均方程（Reynoldsaveraging）其中令湍流应力(也称为雷诺应力)《大气边界层》课件共76页，您现在浏览的是第51页!局地闭合（localclosure）和非局地闭合（non-localclosure）《大气边界层》课件共76页，您现在浏览的是第52页!摩擦速度（frictionvelocity）《大气边界层》课件共76页，您现在浏览的是第53页!《大气边界层》课件共76页，您现在浏览的是第54页!9.2.2Surfaceenergybalanceoverland考虑无限薄层，没有热容量FHs：sensibleheatflux（感热通量、感热）FEs：latentheatflux（潜热通量、潜热）FGs：theconductionofheatdownintotheground,(positivedownward,awayfromthesurface)《大气边界层》课件共76页，您现在浏览的是第55页!(a)Daytimeoveramoistvegetatedsurface.(b)Nighttimeoveramoistvegetatedsurface.(c)Daytimeoveradrydesert.(d)Oasiseffectduringthedaytime《大气边界层》课件共76页，您现在浏览的是第56页!9.2.3Thebulkaerodynamicformulae

总体空气动力学公式关于感热和潜热及土壤热通量的公式Ts、Tair：表层土壤和空气温度。|V|：地面风速CH：热量的无量纲总体输送系数（dimensionlessbulktransfercoefficient）《大气边界层》课件共76页，您现在浏览的是第57页!湿度通量《大气边界层》课件共76页，您现在浏览的是第58页!《大气边界层》课件共76页，您现在浏览的是第59页!9.2.4TheGlobalSurfaceEnergyBalance《大气边界层》课件共76页，您现在浏览的是第60页!freeatmosphereentrainmentzonemixedlayersurfacelayercappinginversion冠盖逆温residuallayergeostrophicwindspeedstableboundarylayer《大气边界层》课件共76页，您现在浏览的是第61页!《大气边界层》课件共76页，您现在浏览的是第62页!(a)纵坐标为线性坐标(b)纵坐标为对数坐标《大气边界层》课件共76页，您现在浏览的是第63页!9.4.4TheMarineBoundaryLayer《大气边界层》课件共76页，您现在浏览的是第64页!9.4.4TheMarineBoundaryLayer《大气边界层》课件共76页，您现在浏览的是第65页!9.4.5StormyWeather《大气边界层》课件共76页，您现在浏览的是第66页!

9.5SpecialEffects

9.5.1Terraineffects山谷风，Mountain-valleywind,Mountainandvalleybreeze

白天：上坡风Anabaticwind夜间：下坡风katabaticwind《大气边界层》课件共76页，您现在浏览的是第67页!《大气边界层》课